多层 PCB 的热应力分析
【导读】印刷电路板 (PCB) 存在于所有电子设备中，是确保设备正常运行的核心元件。每块 PCB 上都载有电子设备的一个重要子系统，用于增加设备的功能。因此，电子设备的功能越多，就需要越多的 PCB 来保证正常运行。
本文要点：
●多层 PCB 有很多优点，但是，多层结构也会给电路板带来热应力问题。
●热应力分析是一种温度和应力分析方法，用于确定多层 PCB 中的热应力点。
●热应力分析结果有助于 PCB 设计人员构建可靠、稳健和经过优化的多层 PCB。
印刷电路板 (PCB) 存在于所有电子设备中，是确保设备正常运行的核心元件。每块 PCB 上都载有电子设备的一个重要子系统，用于增加设备的功能。因此，电子设备的功能越多，就需要越多的 PCB 来保证正常运行。为了在设备中整合更多的 PCB，并满足电压要求，PCB 通常是分层的。虽然多层电路板有一些优点，但多层结构会对电路板造成热应力。为此必须对多层电路板进行热应力分析，以确定受应力影响的区域并防止热变形。
我们先来了解一下多层 PCB，以便更好地了解对其进行热应力分析的需求。
1. 什么是多层 PCB？
为了满足现代电子设备的空间和重量限制，必须采用多层 PCB。顾名思义，多层 PCB 由多层材料层压在一起，最终形成一块电路板。多层 PCB 在制造时利用了高压和高温条件，以便让各层之间紧密粘合，避免电路板内出现气泡。
多层 PCB 的用途和优点
随着现代电子产品尺寸变得更小，功能也更加复杂，多层 PCB 相对于单层 PCB 有许多明显的优势，尤其是在以下应用领域：
数据存储、卫星系统、移动通信、信号传输、工业控制、太空装备、核探测系统
在这些应用中使用多层 PCB 的优点包括：
●在电路板面积相同的前提下，多层 PCB 比单层或双面 PCB 处理的电路更多。多层 PCB 的组装密度高，因此适用于复杂系统中的高容量和高速应用。
●多层 PCB 体积小、重量轻，因此非常适合空间和重量受限的设备。
●多层 PCB 的可靠性很高。
●多层 PCB 是柔性的，可用于需要弯曲的电路结构中。
●多层 PCB 可承受高温和高压，可用于对电路耐用特征要求较高的设备。
●在多层 PCB 中很容易进行受控阻抗布线。
●多层 PCB 中的电源和接地层有助于实现 EMI 屏蔽。
2. 多层 PCB 中的热应力
制作多层 PCB 时，半固化片和核心材料层堆叠在一起。导体被封装在树脂材料中，各层则用粘合剂粘合起来。多层 PCB 涉及的所有材料都有不同的热膨胀和收缩率，即热膨胀系数 (CTE)。CTE 差异和温度升高导致了多层 PCB 的温度场和热应力场。高热应力会导致 PCB 变形，并造成电路运行、可靠性和寿命出现严重问题。
热应力分析可以检测电路板中受应力影响的区域
3. 对多层 PCB 进行热应力分析的重要性
热应力分析是指在多层 PCB 上进行温度和应力耦合现场分析，使用热应力分析法来分析高温和低温循环对电路器件和运行的影响。然后根据热应力分析结果修改多层 PCB 的物理 layout，这有助于减少多层 PCB 的温度场和热应力场。
热应力分析在很多方面都有帮助，包括：
1. 根据多层 PCB 焊点上的温度应力和剪切力来摆放器件。
2. 预测多层 PCB 中出现分层和微裂纹的几率。
3. 预测多层 PCB 是否会发生变形。
在设计经过优化的多层 PCB 时，热应力分析结果非常有用，有助于有效减少多层 PCB 中的温度极值和应力极值，还有助于提高多层 PCB 的热可靠性、物理板的稳健性和使用寿命。
(来源： Cadence楷登PCB及封装资源中心）
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